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Study on ductile fracture of welded tubes considering Lode effect and microstructural characteristics

로데 효과와 미세조직 특성을 고려한 용접강관의 연성파단 연구

  • 이영서 (서강대학교 일반대학원)

초록 (요약문)

This study proposes a plasticity and damage model to predict the ductile fracture of high-strength steel welded tubes under various stress states. A dual plasticity model is established in a way that uses Tresca yield function in the low-triaxiality regime featuring shear-dominant loading with strong Lode effect and otherwise von Mises yield function. To reflect the Lode effect that controls the void coalescence variably according to the stress state, the upper bound and cut-off values for stress triaxiality of the low-triaxiality regime are defined as a function of the Lode parameter. Pre-necking flow stress model parameters of the weld zone are obtained via the modified rule of mixtures using the hardness distribution data, and post-necking softening behavior is realized via the modified Lemaitre damage model. Damage model parameters, originally constants, are developed into a function of hardness ratio between the base materials and weld zone to consider the disparity in damage evolution and Lode sensitivity depending on the microstructure. Fractography and electron backscatter diffraction analysis with a scanning electron microscope are conducted to figure out the causes of disparity. The proposed plasticity-damage model is numerically implemented through the user-defined subroutine. The parameter-free plasticity model is validated via the finite element analysis of three-point bend testing. The damage model parameters are determined and validated via the finite element analyses of tensile / shear / flaring / flattening testing. Comparisons between the experimental and numerical load-displacement curves conclude that the dual plasticity model predicts well the evolution of the yield surface without additional parameters, and the damage model dependent on both the hardness and Lode parameter also accurately computes the maximum load under various loading conditions. Less ductility of fusion zone is seen as the cause for increased load resistance under shear loading, grounded by the microstructural analysis data.

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초록 (요약문)

본 연구는 다양한 응력상태에서의 고강도 용접강관 연성파단 예측을 위한 소성 및 손상모델을 제안한다. 전단하중이 지배적이고 로데 효과가 뚜렷한 저삼축비 구간에서는 Tresca 항복함수를, 이외에는 von Mises 항복함수를 사용 하는 이중 소성모델을 수립한다. 또한 기공합체모드를 제어하는 로데 효과를 응력상태에 따라 가변적으로 반영하고자, 저삼축비 구간의 상 / 하계를 로데 파라미터에 대한 함수로 정의한다. 수정된 혼합법칙으로 경도 분포 데이터를 사용해 네킹 전까지 유효한 용접부 유동응력모델 파라미터를 획득하고, 수정된 Lemaitre 손상모델로 네킹 이후의 연화거동을 구현한다. 이때 본래 상수인 손상모델 파라미터들을 모재부와 용접부 간 경도비에 대한 함수로 발전시켜, 미세조직에 따른 손상누적속도 및 로데 민감성 차이를 고려한다. 해당 차이의 원인 규명을 위해 주사전자현미경으로 파단면 분석 및 전자후방산란회절 분석을 수행한다. 제안된 소성 및 손상모델을 사용자 정의 서브루틴으로 수치구현한다. 파라미터가 없는 소성모델은 3점 굽힘시험에 대한 유한요소해석으로 검증한다. 손상모델 파라미터는 인장 / 전단 / 확관 / 편평시험에 대한 유한요소해석을 통해 결정 및 검증한다. 실험과 해석으로 획득한 하중-변위 곡선 비교 결과, 이중 소성모델은 추가 파라미터 도입 없이도 항복곡면 진화를 잘 예측하고, 경도 및 로데 의존적 손상모델 역시 다양한 하중조건에서의 최대하중을 높은 정확도로 계산한다. 미세조직 분석 결과에 의거, 전단하중에서 용융부의 하중저항력이 상승하는 원인으로 연성부족을 제시한다.

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